Адитивний спосіб врахування щільності ґрунту при визначенні його вологості радіоізотопними методами

Реферат: Винахід належить до радіоізотопних методів визначення вологості ґрунту. Адитивний спосіб врахування щільності ґрунту при визначенні його вологості радіоізотопними методами включає вимірювання природної щільності ґрунту гамма-гамма-щільноміром безпосередньо у досліджуваній свердловині, знаходження інтерпретаційного параметра свердловинних вимірювань, побудову градуювальної залежності нейтронного вологоміра. Згідно з винаходом, будують єдину для всього діапазону можливих значень щільностей скелету ґрунту градуювальну залежність нейтронного вологоміра на основі лабораторних визначень об'ємної вологості та щільності скелету ґрунту. Інтерпретаційний параметр нейтронного вологоміра отримують шляхом віднімання від показань вологоміра тієї їх складової, що зумовлена скелетом ґрунту, яку розраховують за виміряною гамма-гамма-щільноміром природною щільністю ґрунту з урахуванням позірної вологості ґрунту, визначеної за допомогою нейтронного вологоміра за вказаною градуювальною залежністю. Спосіб істотно спрощує інтерпретацію радіоізотопних вимірювань, підвищує їх точність і оперативність, знижує вартість визначення вологості ґрунту. UA 107048 C2 (12) UA 107048 C2 UA 107048 C2 5 10 15 Винахід належить до області радіоізотопних методів визначення вологості ґрунту в умовах його природного залягання (in situ), в інженерно-геологічних, гідромеліоративних та екологічних свердловинах, з урахуванням впливу на показання нейтронного вологоміра щільності (об'ємної маси) цього ґрунту. Суть нейтрон-нейтронного метода за повільними нейтронами (ННМп) полягає в опроміненні досліджуваного ґрунту швидкими нейтронами стаціонарного джерела та реєстрації повільних нейтронів на певній відстані по стовбуру свердловини від джерела швидких нейтронів. Повільні нейтрони утворюються тут при взаємодії швидких нейтронів джерела з ядрами атомів хімічних елементів, що складають ґрунт. Найпомітніше сповільнення швидких нейтронів відбувається на ядрах атомів водню. Саме на цьому явищі ґрунтується визначення вологості ґрунту ННМп. Показання детектора (вологоміра) знімають у вигляді швидкості лічби повільних нейтронів (імп/с), частіше у дискретній формі. Свердловинні нейтронні вологоміри у таких дослідженнях працюють у доінверсійній області довжин зонда (відстані від джерела до середини довжини лічильника нейтронів). У цій області збільшення об'ємної вологості ґрунту WV (%) приводить до зростання показань вологоміра I0 (імп/с). Графічно градуювальні залежності таких вологомірів наближаються до прямої лінії, зі зменшенням довжини зонда L до нульового значення. Для таких вологомірів, при сталій щільності сухого ґрунту (скелету ґрунту), при відсутності хімічно зв'язаного ґрунтом водню (глинистих мінералів та органічної речовини) і при відсутності в ньому аномальних поглиначів теплових нейтронів, існує однозначна залежність між I0 та WV ґрунту I0  f WV  . 20 (1) Однак, щільність ґрунту не є сталою у його геологічному розрізі. Тут ґрунт однієї і тієї ж вологості може характеризуватись різною щільністю, що приводить до похибок у визначені його 3 3 вологості. За даними Olgaard P.L. [1], зміна щільності сухого ґрунту p d (г/см ) на 0,1 г/см приводить до зміни I0 на величину, що відповідає зміні вологості (похибки її визначення за 25 повільними нейтронами), рівної 0,8 % для WV  5 % і 16 % для WV  35 % . В діапазоні зміни pd , 3 піщано-глинистих ґрунтів, який частіше становить 1,3-1,8 г/см , абсолютна похибка визначення WV ґрунту, зумовлена зміною його щільності, може сягати 8 % і більше. Це підтверджують і 30 наші розрахунки швидкості лічби повільних нейтронів I0 , іпм/с для приладу вологомір поверхнево-глибинний радіоізотопний (ВГТГР-1, [2]) (за програмою CORA, автори В.В. Кулик, Ю.В. Яковлев, Т.М. Гусак, ІГФ НАН України) для піщаного середовища при заданих значеннях його вологості і змінних значеннях щільності, фіг. 1. На фіг. 1 показана залежність приросту швидкості лічби повільних нейтронів зумовленого щільністю сухого ґрунту при заданих значеннях його об'ємної вологості. Greacen E.L. and Schrale G. [3] запропонували такий поправковий коефіцієнт на щільність сухого ґрунту pd до показань нейтронного вологоміра, k 35 40 45 d id , (2) де d - середнє значення щільності сухого ґрунту у вертикальному геологічному розрізі досліджуваної ділянки;  id - щільність сухого ґрунту і-ого шару цієї ділянки. Суть цього способу полягає у врахуванні відхилення щільності сухого ґрунту і-ого шару від середньої щільності сухого ґрунту у досліджуваному його геологічному розрізі, для якої будувалась градуювальна залежність вологоміра (компенсаційний спосіб). Відкоригований інтерпретаційний параметр градуювальної залежності IWV  у цьому випадку має вигляд: d I  I0 , (3) id де I0 - швидкість лічби нейтронів, виміряна вологоміром (показання вологоміра). Недоліком способу [3] є те, що визначення pd, яке входить до виразу (3), потребує відбирання проб ґрунту із шурфів та лабораторних вимірювань їх щільності. Більш вагомим його недоліком є неоднозначність коефіцієнта k , визначеного для певного горизонту ґрунту, при різних потужностях досліджуваного шару цього ґрунту і різній його літології. Відомий також спосіб врахування щільності ґрунту, який полягає у наступному. ДСТУ Б В. 2.1-26:2009 [4] пропонує для врахування щільності ґрунту, інтерпретацію показань нейтронного 1 UA 107048 C2 5 вологоміра виконувати за сімейством градуювальних залежностей I0 від WV , для значень pd 3 рівних 0,9; 1,2; 1,5; 1,8 та 2,1 г/см . Для кожного значення pd справджується однозначна залежність (1). Суть способу, запропонованого в роботі [4], полягає у підборі із сімейства такої залежності, яка побудована для щільності максимально наближеної до щільності ґрунту на горизонті визначення його вологості WV (спосіб вибору оптимальної градуювальної залежності). Користуватися сімейством градуювальних залежностей [4] рекомендує таким чином. За орієнтовно вибраним графіком із сімейства градуювальних залежностей вологоміра 3 знаходять перше наближення WV . За наступними графіками, для яких pd більше на 0,3 г/см та 10 менше на 0,3 г/см , знаходять друге наближення WV . Якщо друге наближення відрізняється від 3 першого на величину WV  1% абсолютного значення WV , то його (перше наближення) приймають за реальне значення вологості ґрунту. В іншому випадку знаходять третє наближення WV за другим і третім вибраними графіками. Порівнюють друге і третє наближення WV . Так продовжують випробовувати графіки залежностей 15 20 25 30 35 40 I0 від WV , поки чергове наближення WV буде відрізнятися від попереднього на величину WV  1% . Основним недоліком способу [4] є те, що він не забезпечує високої точності визначення об'ємної вологості ґрунту WV  1% і є трудомістким. Найближчим аналогом пропонованого винаходу є спосіб визначення вологості ґрунту з врахуванням його щільності (Патент України на винахід №95164, Бюл. № 13, 2011 p.), який вибрано за прототип. Недоліками прототипу є недостатня оперативність і точність радіоізотопних вимірювань об'ємної вологості ґрунту, ускладнена процедура інтерпретації, підвищена вартість робіт. Задачею винаходу є вдосконалення і спрощення інтерпретації показань нейтронного вологоміра та підвищення точності визначення об'ємної вологості ґрунту. При вимірюваннях вологості ґрунту нейтронним вологоміром на вході вимірювальної системи є ґрунт різної вологості і швидкі нейтрони джерела. Кінцевим результатом складної взаємодії нейтронів джерела з ґрунтом, тобто на виході вимірювальної системи, є швидкість лічби вологоміром повільних нейтронів. Швидкість лічби повільних нейтронів у вологому ґрунті, в якому відсутні аномальні поглиначі теплових нейтронів і зв'язаний його мінеральною частиною водень (відсутні глинисті мінерали і органічна речовина), можна подати так: I0 WV , d   IWV   Id  , (4) де IWV  - компонент швидкості лічби, зумовлений вологістю ґрунту WV ; I d  - компонент швидкості лічби вологоміра, зумовлений щільністю сухого ґрунту p d (усереднений ефект збільшення швидкості лічби повільних нейтронів, зумовлений скелетом ґрунту). Ідентифікація тієї частини швидкості лічби повільних нейтронів, яка спричинена скелетом ґрунту, лягла в основу пропонованого нами адитивного способу врахування поправки на щільність ґрунту, при визначені його вологості нейтронним вологоміром (адитивний спосіб, оснований на ідентифікації швидкості лічби повільних нейтронів, зумовленої щільністю ґрунту). За даними [1] і нашими розрахунками, фіг. 1, видно, що швидкість лічби вологоміра I d  , зумовлена щільністю ґрунту pd при WV  0 % , позначимо її I1d  , і складовою I2 d, WV  , спричиненою посиленням взаємодії нейтронів з мінеральною частиною вологого ґрунту. Складову швидкості лічби вологоміра, зумовлену щільністю ґрунту p d, можна записати так, Id   I1d   I2 d, WV  . (5) Формула (4) набуває вигляду: I0 WV , d   IWV   I1d   I2 d, WV  . (6) 45 Для вологоміра ВПГР-1 (потужність джерела нейтронів Q  4,2  10 4 с 1 , детектор нейтронів типу СНМ-17) [2], розрахункова залежність I1d  від щільності сухого WV  0 % піщаного ґрунту pd, виявилась такою: I1d   38,13d  26,06 . (7) Складова I2 d, WV  залежить і від pd і від WV ґрунту. Для неї ми встановили такий вираз: I2 d, WV   I1d B ln WV , (8) 2 UA 107048 C2 5 10 15 20 де B - стала величина; ln WV - логарифм значення об'ємної вологості. Із залежностей (4) - (8) для інтерпретаційного параметру маємо: IWV   I0 WV , d   I1d   I1d B ln WV  . (9) Складова у формулі (9), виділена квадратними дужками, трансформується у похибку визначення вологості ґрунту нейтронним вологоміром, спричинену його скелетом. Величину множника B ми визначили, скориставшись даними Olgaard P.L. [1], зокрема про те, що при WV ґрунту рівному 35 %, похибка визначення його вологості, зумовлена p d, збільшується у 2 рази, в порівнянні з такою ж при вологості цього ґрунту, рівній 5 %. Виходячи з цих даних Olgaard P.L. і враховуючи формули (5) і (8) можна записати: 2I1  I1B ln 5 I1  I1B ln 35 ,  (10) Sa Sa де S a - абсолютна чутливість нейтронного вологоміра до вологості ґрунту (імп/с· %). Після спрощень рівняння (10) набуває вигляду: B  1/ ln 35  2 ln 5 . (11) Множник (коефіцієнт) B виявився рівним 0,3. Оскільки потужність джерела нейтронів, що використовується у конкретному вологомірі, дають з деякою похибкою, потрібно зробити прив'язку (погодження) експериментальної градуювальної залежності вологоміра до розрахункової, виконаної за паспортним значенням потужності джерела. Прив'язку роблять за складовою I1d  , виміряну в моделі "сухий кварцовий пісок" WV  0 %;IWV   0 імп / с;I2 d, WV   0 імп / с;I1d   I0 d   . Габарити моделі мають задовольняти умовам глибинності досліджень ґрунту ННМп, а діаметр тонкостінної алюмінієвої обсадної труби, що імітує необсаджену свердловину - діаметру цієї свердловини. Так, для використаного нами вологоміра, швидкість лічби в моделі "сухий кварцовий пісок"  25 30 35   157 г / см3 ; WV  0,15 % виявилась рівною 39 імп/с, з них 8,2.0,15=1,23 імп/с зумовлені , вологістю піску (8,2 - абсолютна чутливість нашого вологоміра до вологості ґрунту, імп/с· %). Сухим піском створюється швидкість лічби 39-1,23=37,8 імп/с. Розрахункова швидкість лічби вологоміра (паспортне значення Q  4,2  104 с 1 ) у сухому піску I1d   I0 d   33,8 імп / с , фіг. 1. Отже, коефіцієнт погодженості експериментальної градуювальної залежності з розрахунковою Kп  37,8 : 33,8  11175 . , З урахуванням коефіцієнта погодженості, вираз (9) для використаного вологоміра буде таким: IWV   I0 WV , d   42,6d  29,1  42,6d  29,1B ln WV  .(12) Його використовують для побудови градуювальної залежності нейтронного вологоміра. На фіг. 2 приведена градуювальна залежність для використаного нами вологоміра ВПГР-1, побудована за співвідношенням (12), для вимірювань в необсадженій свердловині діаметром 50 мм, єдина для всього інтервалу можливих змін pd. Параметри WV і pd визначають лабораторно. Використання співвідношення (12) значно спрощує градуювання нейтронного вологоміра, підвищує точність градуювальної залежності. Однак, внесення поправки на щільність ґрунту при свердловинних визначеннях його вологості нейтронним вологоміром на основі (12), а по суті на основі лабораторного визначення параметрів WV і pd, трудно здійснене. Нами трансформовано рівняння (12) до вигляду: d     п IWV   I0 WV ,  d   42,6   0,01 WV в  29,1 K1     п 42,6   0,01 WV в   п  29,1BK 2 ln WV .(13) 3 40 В цій формулі: p, г/см - щільність природного ґрунту, визначена за допомогою гаммащільноміра; в , г/см3 - щільність прісної води; W V п , % - позірна вологість ґрунту, визначена за допомогою нейтронного вологоміра за градуювальною залежністю IWV   f WV  , (формула (12)), та його показаннями I0 WV , d  ; K 1 і K 2 - трансформаційні коефіцієнти. 3 UA 107048 C2   Оскільки WV п  WV , множник   0,01WV пв у виразі (13) менший pd, d    0,01WV в , то це веде до деякого зменшення швидкості лічби I0 WV , d  . Та воно практично повністю компенсується множником K 1 , який визначають з виразу, п 42,6d  29,1  42,6  0,01 WV в   29,1K1 .(14) W З цієї ж причини, 5 п V   WV , множник ln WV п  ln WV , що веде до певного зростання   п швидкості лічби I0 WV , d  , при одночасному зменшені її за рахунок множника   0,01WV в . Ці зміни I2 компенсують введенням коефіцієнта K 2 . Величину його визначають з виразу 42,6  0,01 W    29,1BK п V в п 2 ln WV  42,6d  29,1B ln WV .(15) 3 Нами розраховані коефіцієнти K 1 і K 2 для pd, рівних 1,2; 1,4 і 1,6 г/см , та WV ґрунту, рівних 5; 10; 20; 30 і 35 %. Встановлено, що коефіцієнти K 1 і K 2 в певній мірі залежать від вологості WV , а коефіцієнт 10 K 2 і від щільності ґрунту pd. В (13) використовують їх середнє значення, визначене для 3 діапазону вологості (10-30 %) і щільності скелету (сухої частини)ґрунту (1,2-1,6 г/см ). В наведеному діапазоні значень WV і pd середня величина коефіцієнта K1c  1,108 , а K 2 c  0,988 . Нами досліджені зміни складових I1d  та I2 d, WV  , при використанні в (13) замість істинних 15 значень коефіцієнтів K 1 і K 2 , їх середні значення K1c і K 2c та трансформації цих змін швидкостей лічби у похибки визначення вологості за (12). п Складова I1d  в (13), а саме I1d   42,6   0,01 WV в  29,1K1 , визначена за K1c , наприклад     , для d  160 г/см і WV  30 % , дорівнює 38,74 імп/с. Ця же складова, визначена за K 1 , K1  1,117 , для d  1,60 г/см3 і WV  30 % , дорівнює 39,05 імп/с. Різниця цих швидкостей лічби, 3   віднесена до абсолютної чутливості вологоміра Sa  8,2 с 1 / % є похибкою визначення вологості 20 ґрунту, зумовлену WV K1  0,0378% . відхиленням коефіцієнта K1 від його середнього значення Так же розрахована похибка WV K 2  для складової I2 d, WV  , залежності (13), а саме     п п I2 WV ,  d   42,6   0,01  WV в  29,1BK 2 ln WV , і тих же фізичних параметрів ґрунту ( d  160 , г/см і WV  30 % ), виявилась такою - WV K 2   0,21% . 3 25 30 35 І, нарешті, похибка WV K1, K 2  , зумовлена заміною у залежності (13), дійсних значень коефіцієнтів K 1 і K 2 на їх середні значення, склала 0,25 %. В цілому ж, похибка визначення вологості ґрунту за інтерпретаційною залежністю (13), замість інтерпретаційної залежності (12), виявилась малою, при порівнянні її з допустимою похибкою визначення об'ємної вологості ґрунту радіоізотопними методами WV  2 % . Побудовані за ними градуювальні залежності практично співпадають між собою. Це дозволяє будувати градуювальну залежність нейтронного вологоміра за (12), тобто на основі класичних термо-вагових визначень щільності скелету ґрунту pd і його вологості WV , а інтерпретаційний параметр свердловинних вимірювань IWV  знаходити за співвідношенням (13). Параметр p для досліджуваних шарів ґрунту визначають за допомогою радіоізотопного гамма-гамма-щільноміра (наприклад типу ППГР-1). Параметр W V п визначають за показаннями нейтронного вологоміра - I0 WV , d  , скориставшись графіком фіг. 2. Розрахований за 40 45 залежністю (13) параметр IWV  інтерпретують за тим же графіком фіг. 2. Спосіб випробувано на дослідному майданчику Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України. У приповерхневому шарі ґрунти тут складені важким супіском, який з глибини 110 см переходить у пісок. Випробування виконано за допомогою нейтронного вологоміра типу ВПГР-1 у необсадженій свердловині діаметром 50 мм. Інтерпретацію свердловинних вимірювань вологоміром виконано за співвідношенням (13). За цим співвідношенням визначали сумарний інтерпретаційний параметр       I WV c  IWV   I WV х.з. , де I W V х.з. - еквівалент хімічно зв'язаної води глинистих мінералів]. 4 UA 107048 C2 х.з. Параметр W V знаходять за гамма-каротажем (ГК) вимірюванням коефіцієнта глинистості ґрунту та ННК вимірюванням його сумарної вологості [5]. При градуюванні вологоміра та контрольних вимірюваннях у свердловині W V х.з. визначають лабораторно (термо-ваговим 5 10 15 20 25 30 способом з дотриманням рекомендацій [4]). Визначені нами лабораторно величини W V х.з. для важкого супіску дослідного майданчика виявилися рівними 0,7 % об'ємної вологості, в інтервалі глибин 50-70 см, і 1,5 % - в інтервалі глибин 80-100 см. Результати інтерпретації вимірювань на дослідному майданчику представлені на фіг. 3. На фіг. 3 показано розподіл сумарної вологості ґрунту в геологічному розрізі свердловини. На цій фігурі позначено: 1 - об'ємна вологість ґрунту визначена за (13); 2 - вологість ґрунту визначена за термо-ваговим способом; 3 - насипний ґрунт; 4 - важкий супісок; 5 - пісок глинистий. З фіг. 3 видно, що вологість ґрунту, визначена нейтронним вологоміром, співпала з її контрольними вимірюваннями термо-ваговим способом (за разом і хімічно зв'язаної води глинистих мінералів). Розходження визначень вологості ґрунту нейтронним вологоміром і класичним термо-ваговим способом не перевищують 1 %. Технічним результатом винаходу є те, що: 1) поправковий коефіцієнт до показань нейтронного вологоміра визначають на основі вимірювань гамма-гамма-щільноміром, тобто, без відбирання монолітів ґрунту та їх лабораторних досліджень; 2) спосіб істотно спрощує інтерпретацію радіоізотопних вимірювань, підвищує її оперативність; 3) спосіб підвищує точність радіоізотопних вимірювань об'ємної вологості ґрунту; 4) запропонований спосіб знижує вартість нейтронного каротажу вологості ґрунту. Джерела інформації: 1. Olgaard P.L. On the theory of the neutronic method for measuring the water content soil. // Riso Rept, № 97, Copenhagen, 1965.-44 p. 2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Влагомер поверхностно-глубинный радиоизотопный ВПГР-1 / Изд. "Полтава", 1982.-43с. 3. Greacen E.L. and Schrale G. The effect of bulk density on neutron meter calibration // Australian Journal of Soil Research.-1976. - №14. - P. 159-169. 4. ДСТУ Б В. 2.1-26:2009. Основи та підвалини будинків і споруд. Ґрунти. Методи радіоізотопного вимірювання щільності і вологості. - Введ. 01.10.2010. 5. Кулик В. Адитивний і мультиплікативний способи врахування глинистості порід при визначенні їх пористості за допомогою нейтронного і акустичного каротажу // В. Кулик, М. Бондаренко, Г. Кашуба, О. Стасів /Вісник КНУ ім. Т.Г. Шевченка, сер. "Геологія". - 2008, - Вип. 45. - С. 34-38. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Адитивний спосіб врахування щільності ґрунту при визначенні його вологості радіоізотопними методами, який включає вимірювання природної щільності ґрунту гамма-гамма-щільноміром безпосередньо у досліджуваній свердловині, знаходження інтерпретаційного параметра свердловинних вимірювань, що враховує виміряну природну щільність ґрунту, побудову градуювальної залежності нейтронного вологоміра, який відрізняється тим, що будують єдину для всього діапазону можливих значень щільностей скелету ґрунту градуювальну залежність нейтронного вологоміра на основі лабораторних визначень об'ємної вологості та щільності скелету ґрунту, а інтерпретаційний параметр нейтронного вологоміра отримують шляхом віднімання від показань вологоміра тієї їх складової, що зумовлена скелетом ґрунту, яку розраховують за виміряною гамма-гамма-щільноміром природною щільністю ґрунту з урахуванням позірної вологості ґрунту, визначеної за допомогою нейтронного вологоміра за вказаною градуювальною залежністю. 5 UA 107048 C2 6 UA 107048 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7